第三章线性系统时域分析法

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比较阶跃响应曲线和斜坡响应曲线:在阶跃响应中,输出量与输入量之间的位置误差随时间而减小,最终趋于0,而在初始状态下,位置误差最大,响应曲线的斜率也最大;无差跟踪在斜坡响应中,输出量与输入量之间的位置误差随时间而增大,最终趋于常值T,在初始状态下,位置误差和响应曲线的斜率均等于0。有差跟踪。0tc(t)1.0tc(t)0TT3.2.3单位脉冲响应[R(s)=1]11)(TssC它恰是系统的闭环传函,这时输出称为脉冲(冲激)响应函数,以g(t)标志。1g()()tTtCteT脉冲T2T3Tth(t)01/T0.368/T0.135/T0.05/T求系统闭环传函提供了实验方法,以单位脉冲输入信号作用于系统,测定出系统的单位脉冲响应,可以得到闭环传函。线性定常系统的重要性质)()()(sRsGsCB)()()(])([)()(1ssCssRsGdttdrLsGsCBBdttdctc)()(12.在零初始条件下,当系统输入信号为原来输入信号时间的积分时,系统的输出则为原来输出对时间的积分,积分常数由零初始条件决定。)(1)()(])([)()(2sCsssRsGdttrLsGsCBBdttyty)()(21.当系统输入信号为原来输入信号的导数时,这时系统的输出则为原来输出的导数。)()(trdtdtr斜坡阶跃)()(trdtdtr阶跃脉冲)()(tCdtdtC斜坡阶跃 )()(tCdtdtC阶跃脉冲tttttt121112求导积分求导积分求导积分各函数间关系:3.5线性系统的稳定性分析稳定性是对系统的基本要求,探讨系统的稳定条件,提出保证系统稳定的措施。3.5.1稳定的概念和定义如果系统受到有界扰动,不论扰动引起的初始偏差有多大,当扰动取消后,系统都能以足够的准确度恢复到初始平衡状态,则这种系统称为大范围稳定的系统;如果系统受到有界扰动,只有当扰动引起的初始偏差小于某一范围时,系统才能在取消扰动后恢复到初始平衡状态,否则就不能恢复到初始平衡状态,则称为小范围稳定的系统。对于稳定的线性系统,它必然在大范围内和小范围内都能稳定,只有非线性系统才可能有小范围稳定而大范围不稳定的情况。线性控制系统稳定性的定义如下:若线性控制系统在初始扰动(t)的影响下,其过渡过程随着时间的推移逐渐衰减并趋向于零,则称系统为稳定。反之,则为不稳定。3.5.2线性系统的稳定条件线性系统的稳定性只取决于系统自身固有特性,而与输入信号无关。根据定义输入扰动(t),设扰动响应为Cn(t)。如果当t→∞时,Cn(t)收敛到原来的平衡点,即有0)(limtCnt那么,线性系统是稳定的。不失一般性,设n阶系统的闭环传递函数为qirkkdktktpintteBeAtCkki)(0)sin()(01110111)()()(asasasabsbsbsbsDsMsnnnnmmmm线性系统稳定的充要条件是:闭环系统特征方程的所有根都具有负实部,或者说,闭环传递函数的极点均位于s左半平面(不包括虚轴)。根据稳定的充要条件决定系统的稳定性,必须知道系统特征根的全部符号。如果能解出全部根,则立即可判断系统的稳定性。表中:1)最左一列元素按s的幂次排列,由高到低,只起标识作用,不参与计算。2)第一,二行元素,直接用特征方程式的元素填入。3)从第三行起各元素,是根据前二行的元素计算得到。a0a2a4…a1a3a5…b1b2b3…┋…ansnsn−1sn−2┋s1s0130211aaaaab150412aaaaab劳斯表的构造:0122110nnnnnasasasasasD)(2.劳斯判据的应用(1)判断系统的稳定性例3-3设有下列特征方程D(s)=s4+2s3+3s2+4s+5=0,试用劳斯判据判别该特征方程的正实部根的数目。解:劳斯表第一列元素符号改变了2次,∴系统不稳定,且s右半平面有2个根。s4s3s2s1s0135246155例3-4系统的特征方程为D(s)=s33s+2=0试用劳斯判据确定正实数根的个数。解:系统的劳斯表为第一种特殊情况:劳斯表中某行的第一列元素为零,而其余各项不为零,或不全为零。对此情况,可作如下处理:s3s2s1s01302∞①用一个很小的正数ε来代替第一列为零的项,从而使劳斯表继续下去。②可用因子(s+a)乘以原特征方程,其中a可为任意正数,再对新的特征方程应用劳斯判据。321b∵ε→0+时,b10,劳斯表中第一列元素符号改变了两次∴系统有两个正根,不稳定。用(s+3)乘以原特征方程,得新的特征方程为:D1(s)=D(s)(s+3)=s4+3s33s27s+6=0s3s2s1s0130(ε)22s4s3s2s1s0136372/36206会得到相同的判断结果例3-5设某线性系统的闭环特征方程为D(s)=s4+s33s2s+2=0试用劳斯判据判断系统稳定性。解:该系统的劳斯表如下第二种特殊情况:劳斯表中某行元素全为零。此时,特征方程中存在关于原点对称的根(实根,共轭虚根或共轭复数根)。对此情况,可作如下处理:s4s3s2s1s0132112200由于劳斯表中第一列元素的符号改变了两次,∴系统有两个正根,系统不稳定。通过解辅助方程可求出关于原点对称的根:s1=1和s2=1。对本例题,可用长除法求出另二个根,分别为s3=1和s4=2。用全零行的上一行的系数构成一个辅助方程,对辅助方程求导,用所得方程的系数代替全零行,继续劳斯表。s4s3s2s1s0132112242F(s)=2s2+2F(s)=4s(2)分析参数变化对稳定性的影响例3-6已知系统结构图如下,试确定使系统稳定时K的取值范围。解:系统特征方程式s3+3s2+2s+K=0要使系统稳定,劳斯表中第一列元素均大于零。0K6s3s2s1s0123K(6K)/3Ks(s+1)(s+2)R(s)C(s)K﹣+(3)确定系统的相对稳定性例3-7检验多项式2s3+10s2+13s+4=0是否有根在s右半平面,并检验有几个根在垂直线s=1的右边?解:1)劳斯表中第一列元素均为正∴系统在s右半平面没有根,系统是稳定的。2)令s1=s1坐标平移,得新特征方程为2s13+4s12s11=0s3s2s1s021310412.24-1sS1劳斯表中第一列元素不全为正,且第一列元素符号改变了一次,故系统在s1右半平面有一个根。因此,系统在垂直线s=1的右边有一个根。s13s12s11s1021410.513.稳态误差ess定义:)(lim)(lim0sssEteetss例3-8设单位反馈控制系统的开环传函为:TssG1)(TssTssGssRsEe/1/111)(11)()()((1)当r(t)=t2/2R(s)=1/s3解法一:31/1)(sTsssEsTsssEessss1/11lim)(lim00试求当输入信号分别为r(t)=t2/2,r(t)=1(t),r(t)=t,r(t)=sinωt时,控制系统的稳态误差。解:终值定理的条件:除原点外,在虚轴及s平面的右半平面无极点。解法二:TsTsTsTsTsssE/11/1)(2223e(t)=T(t-T)+T2e-t/T)(lim)(teeesstssss(2)当r(t)=1(t)R(s)=1/ssTsssRsGsE1/1)()(11)(0)(lim0ssEesss(3)当r(t)=tR(s)=1/s221/1)(sTsssETsTsssEsessss1/1lim)(lim00221)(ssssET222222122111scssTTsTTTtTTtTTeTTteTtsin1cos11)(22222222)sin(cos1)(22tTtTTtess0)(sse)sin(122tTTTtg11(4)当r(t)=sinωtR(s)=ω/(s2+ω2)终值定理的条件不成立!终值定理的条件:除原点外,在虚轴及s平面的右半平面无极点。3.6.2给定作用下的稳态误差计算不失一般性,闭环系统的开环传递函数可写为:υ=0称为0型系统;υ=1称为Ⅰ型系统;υ=2称为Ⅱ型系统。等等在一般情况下,系统误差的拉氏变换为:)()(11)()()(sRsGsRssEke)()1()1()()()()()(011sGsKsTssKsNsMsHsGsGvvniimjjvk1.阶跃输入作用下的稳态误差)()(lim1)()(11lim00sHsGAsAsHsGsessss令)()(lim0sHsGKsp称为系统的静态位置误差系数pssKAe10型系统:Kp=Kess=A/(1+K)Ⅰ型及Ⅰ型以上系统:Kp=∞ess=0)()1()1()()()()()(011sGsKsTssKsNsMsHsGsGvvniimjjvk)()(tAltr第七节控制系统的稳态误差三、给定作用下的稳态误差:1、阶跃输入•由于0型系统无积分环节,其阶跃输入时的稳态误差为与K有关的一定值,因此常称为有差系统。•为减小稳态误差,可在稳定条件允许的前提下,增大K值。•若要求系统对阶跃输入的稳态误差为零,则应使系统的类型高于I型。2.单位斜坡输入作用下的稳态误差)()(lim)()(1lim020sHssGBsBsHsGsessss令100lim)()(limvssvsKsHssGK静态速度误差系数vssKBe0型系统:Kv=0ess=∞,0型系统无法跟踪斜坡输入Ⅰ型系统:Kv=Kess=B/K,有差跟踪Ⅱ型及Ⅱ型以上系统:Kv=∞ess=0,无差跟踪)()1()1()()()()()(011sGsKsTssKsNsMsHsGsGvvniimjjvk)()(tBtltr3.加速度输入作用下的稳态误差)()(lim)()(1lim2030sHsGsCsCsHsGsessss令2020lim)()(limvssasKsHsGsK静态加速度误差系数assKCe0型系统:Ka=0ess=∞Ⅰ型系统:Ka=0ess=∞Ⅱ型系统:Ka=Kess=C/KⅢ型及Ⅲ型以上系统:Ka=∞ess=0)()1()1()()()()()(011sGsKsTssKsNsMsHsGsGvvniimjjvk2/)()(2tlCttr阶跃、斜坡、加速度输入作用下的稳态误差r(t)=Ct2/2r(t)=Btr(t)=A·1(t)静态误差系数系统型别ess=C/Kaess=B/Kvess=A/(1+Kp)KpKvKaυ∞∞A/(1+K)K000∞C/K00∞∞K2B/K0∞K01例3-9已知两个系统如图所示,当参考输入r(t)=4+6t+3t2,试分别求出两个系统的稳态误差。解:图(a),Ⅰ型系统Kp=∞,Kv=10/4,Ka=0avpssKKKe66141图(b),Ⅱ型系统Kp=∞,Kv=∞,Ka=10/44.24/1066142sse10s(s+4)R(s)C(s)E(s)(a)﹣+10(s+1)s2(s+4)R(s)C(s)E(s)(b)﹣+3.6.3扰动作用下的稳态误差所有的控制系统除承受输入信号作用外,还经常处于各种扰动作用之下。因此,系统在扰动作用下的稳态误差数值,反映了系统的抗干扰能力。计算系统在扰动作用下的稳态误差,同样可以采用拉氏变换终值定理。例3-10控制系统如图G1(s)R(s)C(s)﹣+H(s)E(s)G2(s)N

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